1. 서 론
2. 자연환기력의 정의 및 측정 방법론
2.1 자연환기력의 정의
2.2 현행 설계기준의 개선점 분석
2.3 자연환기력 추정방법론 분석
2.3.1 기압장벽고에 의한 방법
2.3.2 경정기압차에 의한 방법
2.3.3 계측값에 의한 추정방법
3. 터널내 자연환기력 분석
3.1 분석대상
3.2 지형 및 기상자료의 분석
3.2.1 지형자료 분석
3.2.2 기상자료 분석
3.2.2.1 풍향, 풍속자료
3.2.2.2 해면기압, 온도자료
3.2.2.3 자동제어 계측자료 분석
3.3 분석결과
3.3.1 지형자료에 의한 분석
3.3.2 기상자료에 의한 분석
3.3.3 지형자료와 기상자료에 의한 자연환기력 비교분석
3.3.4 터널연장별 자연환기력 분석
3.3.5 자연환기력에 따른 제연설비 용량 분석
4. 결 론
1. 서 론
자연환기력(NVP)에 대한 연구는 터널을 비롯한 지하공간 환기설계의 주요 변수임에도 측정 및 정량화의 문제점으로 인하여 현재까지 활발히 진행되지 않고 있으며, 국내 설계기준에서도 자연환기력에 대한 적용지침을 명확히 제시하고 있지 못하고 있다. 다만, 일본의 경우처럼, 2～3 m/s 정도의 자연풍을 터널내 저항값으로 설계에 반영하고 있는 실정이다(Korea Expressway Corporation 2011, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011). 그러나, 실제 자연환기력에 의해 유도되는 터널내 풍속이 4～5 m/s 이상으로 관측되는 사례가 빈번하며, 이는 단터널(1 km 미만) 뿐만 아니라 장대터널에서도 관측되고 있다. 이러한 현상은 환기목적 이외에 방재목적으로도 중요한 의미를 내포하고 있는데, 현 설계기준상의 적용성에 대한 문제점 및 새로운 적용방안의 모색이 필요함을 제기하고 있는 부분이다. 또한, 자연환기력을 터널내 풍속기준으로 적용하는 방법은 다소의 비현실적인 문제점을 내포하고 있는데, 이는 동일한 지형 및 기상학적 위치에 건설된 연장이 다른 2개의 터널의 경우, 터널갱구 양단에 걸리는 압력차가 서로 다른 것을 의미한다. 이것은 동일한 자연풍이 작용하는 지형조건에서 서로 다른 자연환기압차를 터널내 적용하고 있다는 점에서 다소 비현실적이다.
일본을 제외한 유럽의 경우, 이러한 문제점으로 인해 풍속보다는 풍압기준으로 자연환기력을 적용하고 있으며, 몽블랑 터널의 개보수시 적용한 자연환기력은 (500 Pa → 700 Pa) 압력으로 적용하였고, 노르웨이의 설계기법은 자연환기 저항을 최소풍압으로 50 Pa 이상을 적용하고 있다(Bettelini, 2009). 그러나 국내의 경우처럼, 풍속기준을 적용한 이유는 터널내 다른 환기력에 비해 자연환기력은 상대적으로 축적된 자료(DB 등)의 부족으로 정량화가 어렵고, 외부 지형 및 기상학적 조건에 영향을 많이 받기 때문에 설계단계에서 일괄 적용하는 것은 많은 제약조건들을 수반해야 되기 때문이다. 터널 관통 후에 자연환기력에 관한 DB 축적과 관련하여, 실제 TAB 계측에 의한 방법도 단기간에 수행된 결과이기 때문에 년중에 대한 측정이 불가능하고 장기 모니터링에 의한 분석이 미흡한 요소이기도 하다(Kim et al., 2012).
따라서 본 연구에서는 국내 도로터널에 작용하는 자연환기력의 범위를 추정해 보기위해 1) 자연환기력의 분석방법론을 검토하고 2) 노선별로 터널군 자료군에 따른 지형 및 기상학적 자료를 수집하여 자연환기력의 크기를 분석하였다. 3) 또한 해당 터널의 제연설비 용량과의 비교검토를 통해 합리적인 설계방안을 도출하고자 한다.
2. 자연환기력의 정의 및 측정 방법론
2.1 자연환기력의 정의
터널내 차량통행 및 모든 환기설비에 의한 환기력을 제외한 지형 및 기상 변수만에 의한 환기력을 자연환기력이라 정의하며, 터널 양단의 공기주(air column)길이의 차이(기압차), 터널 양단에 작용하는 외부 풍압, 터널 경사도와 내･외부 온도차에 의한 굴뚝(chimney)효과 등이 주요한 변수로 작용한다(Lee et al., 2012).
실제 터널과 같은 지하공간내에 작용하는 자연환기력을 측정하기 위해서는 터널내의 주요 지점에서의 단순한 기압의 측정만으로는 해석이 용이하지 않다. 이는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 기류의 유동과정에서 고도차에 의한 압력 및 밀도의 변화를 동시에 수반하기 때문이다. 따라서 모든 측정지점 또는 추정지점에서의 기압을 동일 고도상의 기압으로 보정한 후에 비교함으로써 두 지점사이의 압력차를 계산할 수 있다.
또한, 자연환기력은 터널 내외부 기상변수의 순간적인 변화에 따라 지속적으로 변화하는 특징을 가지고 있어 직접적인 측정을 더욱 어렵게 하고 있다. 또한 Fig. 2는 국내터널에서 측정한 자연환기력의 시간별 변화형태를 보여주고 있으며 외부풍의 영향에 따라 큰 분산의 특징을 보여주고 있다.
일반적으로 터널 양단의 고도차이가 약 300～400 m 이상인 경우에 공기밀도차가 커지므로 굴뚝효과에 의한 자연환기력의 영향이 무시할 수 없을 정도로 커지나 대부분의 도심지 터널 또는 길이 및 경사도가 그다지 크지 않은 터널의 경우, 외부풍압의 영향이 상대적으로 커지게 되며 굴뚝효과의 크기는 상대적으로 작은 편이다.
이러한 자연 환기력은 외부 바람과 온도, 지형 및 기상적 조건에 따라 다음과 같은 주요변수 3가지로 요약된다.
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Fig. 1. Definition of the natural ventilation pressure on P-v diagram | |
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Fig. 2. Profile of natural ventilation pressure (example) | |
∙ 터널 입･출구에서 외부 풍압차에 의한 환기력
∙ 터널 내･외부의 온도차에 의한 환기력
∙ 터널 입･출구의 기압차에 의한 환기력
2.2 현행 설계기준의 개선점 분석
2011년 개정된 ‘도로설계편람(617 환기시설)’에는(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011)자연환기력은 터널내 저항풍속(Vn)값으로 적용하도록 되어 있다. Fig. 3은 일반적인 2차로 고속도로 터널에 작용하는 자연환기력(Pa)과 터널내 풍속(m/s)과의 관계를 나타내고 있다. 현 설계기준에 따라서 자연저항풍(Vn)을 2.5 m/s 라고 가정한다면 1 km 연장의 터널에 갱구부에 작용하는 외풍의 크기는 약 5.1 m/s 정도이고, 5 km 연장의 터널에는 갱구부에서 약 9.9 m/s 정도의 풍속이 터널 축방향으로 작용함을 의미한다. 이를 풍압으로 환산해 보면, 1 km 터널에는 약 16 Pa 정도의 자연환기력이 작용하는 반면에 5 km 터널에는 대략 59 Pa 정도로 1 km 터널에 비해 3.7배 이상의 자연환기력이 더 작용하고 있다는 점이다. 따라서, 동일한 자연환기력이 작용하는 지형에 연장이 서로 다른 2개의 터널에 작용하는 자연환기력이 서로 다를 수 있음을 나타내므로 풍속기준으로 자연환기력을 적용하는 것은 다소 무리가 있다. 따라서 풍압기준으로 변경하여 적용하는 방안에 대한 검토가 필요해 보인다. 도로설계편람에서 제시하는 자연환기력은 아래의 식과 같다.
[Pa] (1)
여기서, 
는 터널 양갱구간 자연환기력[Pa], 
는 터널입구 손실계수, 
는 터널벽면 마찰손실계수, L은 터널길이[m], D는 터널대표길이[m], 
는 공기밀도[kg/m3], Un은 자연풍에 의한 터널내 평균풍속[m/s]을 의미한다.
2.3 자연환기력 추정방법론 분석
자연환기력은 앞서 살펴본 것처럼, ①풍압효과, ②굴뚝효과, 그리고 ③(경정)기압차에 의한 영향으로 구분할 수 있다(Roche, 1991, Maarsingh 외, 1991). 그러나 이들 영향은 설계단계에서 계산하는 것은 아주 어렵다. 먼저, 풍압효과는 형상계수(K)에 의해 터널주변의 지형적 효과를 제거할 수 있어야 하나, 이를 정확히 추정하기는 곤란한 실정이다. 이는 터널이 관통된 이후에 지형 및 갱구부 형상에 따른 기류유동을 알 수 있기 때문이다. 굴뚝효과 역시 설계단계에서 터널내 온도를 예측하기가 곤란한 점이 있다. 또한, (경정)기압차는 터널 갱구부 양단에 걸리는 대기압(barometric pressure)차중 고도와 온도에 의한 영향을 제거한 정압(static pressure)을 의미하나, 실제 대기압차이는 풍압과 굴뚝효과 모두를 포함한 전압(total pressure)이므로, 이들 영향을 제거한 기압차로의 보정이 필요하다. 따라서 설계단계에서 자연환기력을 추정하기 위해서는 위에서 언급한 내용들에 대한 보정이 필요하다.
2.3.1 기압장벽고에 의한 방법
자연환기력 추정시 지형적 요인이란 터널 입･출구의 형태와 터널 주변 지형에 의한 요인을 의미한다. 터널 주변지형은 터널의 진행방향으로 부는 외부자연풍에 대하여 기류유동장애 즉, 벽면이 되어 자연풍과 충돌하게 되고 자연풍의 유동에너지 중 일부는 충격과 마찰에 의해 손실되며, 일부는 정압으로 작용한다. 앞서 서술한 것처럼, 위와 같은 현상을 풍압효과라 하며 자연풍의 속도압과 작용하는 정압의 비를 풍압계수라 정의한다. 풍압계수는 풍압효과의 발생요인인 주변지형의 형태 및 크기에 의해 결정되며, 터널 주변에 같은 자연풍이 작용하더라도 터널의 입구와 출구의 주변지형이 다를 경우, 작용하는 정압도 다르다. 이러한 입･출구의 기압차로 인하여 터널내부에 기류유동이 발생하며, 이를 풍압효과에 의한 자연환기라 한다.
기류의 유동장애벽면인 터널의 주변지형 크기가 클수록 터널에 작용하는 자연환기력은 증가하게 된다. 이때 대기에 유동하는 자연풍의 크기에는 일반적으로 최대한계가 있으며, 따라서 터널 입･출구에 작용하는 자연환기력의 최대값은 기류유동장애벽면의 크기와 비례하게 되고, 터널 입･출구 주변지형을 이용하여 풍압계수를 결정하는 장애벽면크기를 정량화한 것이 기압장벽고이다(Roche, 1991, Lee et al., 2009a).
2.3.2 경정기압차에 의한 방법
터널내에 작용하는 환기력은 터널의 총 압력손실의 크기와 같으며 총 환기력은 자연환기력, 교통환기력, 기계환기력으로 구성되어져 있다. 교통 및 기계 환기력이 없을 경우, 총 압력손실은 자연환기력이 된다.
압력차이가 단순 고도차에 의한 압력차이인 경우에는 기류의 유동을 발생시키지 않으므로 관측된 기압(대기압)은 고도차 및 온도차에 의한 영향을 제거하기 위하여 터널평균고도를 기준점으로 경정기압으로 환산할 수 있다. 이러한 경정방법은 1950년부터 중앙기상대에서 사용하고 있으며, 기상월보를 통해 해면기압 자료를 공개하고 있다.
(2)
여기서, 
은 경정기압[Pa], 
는 원기압[Pa], 
는 고도차[m], 
는 건조공기기체상수, g는 중력가속도[m/s2], t는 온도[℃], T는 기온감율[-6.25℃/km], 
는 수증기영향보정치 이다(이하 동일기호에 대한 설명은 생략함).
일반적으로 산악지형에서 한 관측소와 다른 관측소의 지면기압 차이는 대개 고도차에 기인한다. 기상관측소 계측장비의 설치특성(측정고도 등)에 기인하여 기압장에 기여한 부분을 추출하기 위해서는 기압을 어떤 기준레벨로 환산해 줄 필요가 있다. 이러한 목적을 위하여 보통 해면(Sea Level)이 사용된다. 측고방정식(hypsometric equation)에 따라 대기중 두 층사이의 지오포텐셜 고도차(
)는 스케일 고도(
[m])를 포함하여 다음과 같이 표시된다.
(3)
이때, 스케일 고도(
)는 
으로 정의되며, 
는 평균가온도[℃]를 의미한다. 만약, 첨자 g와 o를 각각 지면과 해면에서의 조건을 나타낸다고 한다면, 지면과 해면사이의 높이에 대해서 측고공식은 아래와 같이 표현되고,
(4)
이를 해면기압(
)로 표현하면, 다음 식과 같이 정리할 수 있다.
(5)
만약 
가 작다면 스케일 고도 
는 지면온도로부터 계산할 수 있다. 또한 만약 
이라면, 윗식의 exp는 
로 근사시킬 수 있다. 따라서 관측된 지면온도의 범주에 대해 
이므로 만약 
가 수백 m 보다 작다면 이러한 근사는 만족할 만하다. 이러한 근사를 갖고, 윗 식은 다음과 같이 된다.
(6)
2.3.3 계측값에 의한 추정방법
터널 내부 기류유동은 환기력에 의해 발생하고 기류유동 속도는 환기력의 자승근에 비례한다. 따라서, 터널의 교통특성(차종구성비, 차속, 교통량) 자료로부터 교통환기력을 추정할 수 있다. 환기설비에 의한 기계환기력이 작용하지 않을 경우, 터널내 작용하는 총 환기력은 자연환기력과 교통환기력이며, 이중 교통환기력을 제외하면 자연환기력을 추정할 수 있다. 이 방법은 실제 각종 환기력의 관성력이 작용할 수 있기 때문에, 비교적 시간변화에 따른 기류유동의 변화율이 일정한 상태(du/dt=0)에서 자연환기력을 추정하는 것이 좋다. 또한 이 방법은 정확한 교통환기력을 계산해야 자연환기력의 예측이 가능하므로, 교통량 및 차종의 구성비율, 차속, 내부풍속 등에 대한 계측자료가 요구된다.
3. 터널내 자연환기력 분석
3.1 분석대상
터널내 자연환기력 분석을 위해 노선별로 공용중인 주요터널(22개소)를 대상으로 하였으며, 노선별 위치는 Fig. 4와 같으며, 대상 터널의 제원은 Table 1과 같다.
3.2 지형 및 기상자료의 분석
3.2.1 지형자료 분석
분석대상 터널 22개소에 대한 기압장벽의 높이(H)는 구글어스상의 3-D 전산자료로 부터 고도특성 자료를 획득하였으며, 이 중 임고터널 등 4개소의 자료는 기 발표된 국내 연구논문상의 값을 재인용하였다. 단, 기압장벽고(H)는 Roche (1991), Lee and Park (2009b)
방법으로 계산하였으며, 장벽고 높이에 따른 단위 m 당 최대 자연환기압은 0.45 Pa/m를 적용하였다. Fig. 5와 Table 2는 육십령터널에서의 기압장벽고를 나타내고 있다.
3.2.2 기상자료 분석
국내 기상청에서 제공하는 자료에 따르면, 각 관측지점별로 기상자료(기상요소)를 일정 보정하여 ‘기상월보’ 형태로 자료를 제공하고 있다. 그러나 기상월보는 일평균값을 제공하기 때문에 터널내 자연환기력을 예측하기에는 시간평균구간이 너무 큰 편이다. 따라서 본 연구에서는 기상청에서 제공하는 오차범위 5% 범위이내의 전산자료(2009.1.1～2011.12.31, 최근 3년간 1시간 단위 자료)을 획득하여 분석하였으며, Fig. 6은 획득한 기상자료의 관측지점을 나타내고 있다.
3.2.2.1 풍향, 풍속자료
풍향, 풍속자료는 1시간(hr) 단위로 분석하였다. 관측지점에서의 풍향, 풍속자료를 터널내 작용 압력으로 환산하려면 터널축방향으로의 보정이 필요하다. 또한 관측지점의 풍속계의 높이(일반적으로 10 m 정도)와 터널갱구 고도차가 존재하므로 이를 보정할 필요가 있다. 따라서 풍압(
)은 다음과 같이 보정하여 적용할 수 있다.
and 
(7)
(8)
여기서, 
는 외부자연풍의 크기[m/s], φ는 외풍방향과 터널축방향이 이루는 각도[°], K는 풍압계수, 
는 공기밀도[kg/m3], 
및 
은 관측소 풍속계의 풍속[m/s]과 측정높이[m], 
은 갱구부 고도[m]를 의미한다. 그리고 산악지형 터널에서의 지수 n 값은 1/7 정도로 알려져 있다(Bettelini, 2009).
3.2.2.2 해면기압, 온도자료
기상월보에서는 관측지점의 대기압을 제시하는 대신, 해면기압으로 보정한 기압을 제시하고 있다. 이것은 일기도 작성을 위해 제공되는 데이터 특성 때문이다. 따라서 본 연구에서는 터널 양 갱구부에 작용하는 (경정)기압차는 인근 기상대의 해면기압(hPa) 자료로부터 터널 입출구와 관측지점간의 거리에 대한 선형보정을 한 후, 높이에 따른 보정은 터널의 평균고도를 기준으로 환산하였다. 이때 공기주의 높이에 따른 온도보정은 양 갱구간의 평균온도를 기온감율에 따라 보정할 수 있다. 또한 국내 대기상의 기온감율은 고도 1 km 당 -6.25℃/km 정도로 감소하는 것으로 알려져 있다.
해면기압과 원기압과의 관계식은 앞에서 제시하였으며, 기상청에서 제시하는 해면기압으로 부터 터널평균고도에서의 경정기압차를 보정을 위해서는 공기주의 평균가온도(
)를 계산하여야 한다. 평균가온도를 구하는 식은 다음과 같다.
(9)
여기서, 
는 공기주의 평균기온[℃], 
는 대기가 습기를 포함하고 있기 때문에 생기는 영향으로서 평균기온에 의해서 정해지는 함수이며 통계적으로 구한다. 
와 
의 관계를 표시하면 Fig. 7과 같다.
아래의 Table 3을 살펴보면, 기압은 여름철(6～8월)에 낮고 겨울철(12～2월)에 높은 특성을 보이고 있으며, 온도는 이와 반대로 여름철에 높고, 겨울철에 낮은 분포를 잘 나타내고 있다. 3년간 분석자료는 주기적인 경향을 잘 나타내고 있으며, 년중 데이터의 분석이 곤란한 경우는 최소 여름과 겨울철에 대한 기압차 분석은 반드시 필요해 보인다.
3.2.2.3 자동제어 계측자료 분석
자동제어 계측자료는 2011.1.1～2011.12.31 기간 중 1시간당 터널내 유속자료, 교통량 자료를 분석하였다. 유속자료로부터 터널내 총 압력손실을 계산하였으며, 이중 팬 환기력이 작동하지 않았을 경우의 교통환기력을 구하고, 총 압력손실에서 교통환기력을 제외한 자연환기력을 구하였다. 그리고 이를 기상자료로 부터 보정기압차에 의한 환기력과 비교 분석하였다.
Fig. 8은 경정기압차에 의한 환기력만을 나타내고 있으며, 풍압 및 굴뚝효과에 의한 영향은 고려하지 않은 경우이다. 죽령터널의 경우, 터널선형이 복합경사에 의한 삿갓(∧) 모형으로 되어 있으며, 갱구간 고도차가 크지 않아 상대적인 굴뚝효과에 의한 영향은 작을 것으로 예상이 된다. 따라서 죽령터널에 작용하는 자연환기력은 대부분 지형적 조건 및 풍압에 의한 영향으로 분석될 수 있으며, 외풍에 의한 영향이 심하지 않을 경우 대부분은 경정기압차 만으로도 자연환기력의 예측이 가능한 특징을 보이고 있다.
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(a) Distribution of barometric barrier(H) | (b) Distribution of Pmax |
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(c) Distribution of induced velocity in tunnel | (d) Comparison of NVPs |
Fig. 9. Distribution of NVP(Pmax) derived form barometric barrier | |
3.3 분석결과
3.3.1 지형자료에 의한 분석
조사대상 22개 터널에 대하여 지형자료로부터 획득한 기압장벽고(H)는 48.1～433.4 m로 계산되었으며, 기압장벽고에 대하여 단위 m당 0.45 Pa/m 적용한 결과, Fig. 9와 같이 예상되는 자연환기력(Pmax)는 21.6～195 Pa 의 범위로 분석되었다. 그리고 최대 Pmax 값은 최장터널인 죽령터널(Lr = 4.6 km)로 분석되어 연장에 비례하는 경향으로 보이나, 문수산터널(담양방향)의 경우 연장이 3.87 km로 길지만 기압장벽고는 82 m로 계산되어 Pmax 값은 36.9 Pa로 낮게 예측이 되었다. 따라서 주변 지형의 영향을 받는 기압장벽고는 연장과는 직접적인 관계가 없다. 또한 연장이 2 km 미만인 터널의 경우는 기압장벽고의 높이가 다양하게 나타나 이와 같은 경향을 잘 보여주고 있다. 그럼에도 불구하고 대체적으로 연장이 길수록 높은 Pmax 값을 나타내는 이유는 대상터널들이 험준한 산악지형을 통과한다는 점과 국내 산악지형이 병풍처럼 길게 널어져 있다는 특징에 기인한 것으로 보인다. 이는 병풍처럼 길게 널어진 지형조건 때문에 풍압이 작용할 수 있는 면적(투영면적)이 터널의 길이에 비례하여 넓게 형성될 가능성이 높기 때문이다. 다음으로 대상터널에 작용하는 예상최대 자연환기력(Pmax)을 터널내 유도풍속으로 환산해 보면 터널별로 2.2～5.8 m/s 로 나타나, 대체적으로 현 설계기준보다 높은 자연환기력의 저항값 범위를 나타내고 있다.
3.3.2 기상자료에 의한 분석
기상자료에 의한 자연환기력 분석결과, Fig. 10과 같이 대체적으로 외풍(22%)이나 굴뚝효과(17%)에 의한 자연 환기력 보다는 갱구간 (경정)기압차에 의한 영향(61%)이 큰 것으로 분석되었다. 외풍에 의한 영향이 굴뚝효과보다는 상대적으로 크나, 전체 자연환기력중 약 22%로 분포하였다. 그러나 개별 터널별로는 그 구성요인별 크기가 서로 다르며, 해당 터널의 지형적 기상적 요인에 따라 변동하는 것으로 분석된다. 그러나 대체적으로 연장이 증가할수록 기압차에 의한 요인이 크게 작용하며, 상대적으로 외풍에 의한 영향은 작아지는 것으로 분석된다. 또한 터널 경사도가 클수록 굴뚝효과가 큰 것으로 분석된다. 대상터널에 작용하는 예상최대 자연환기력(Pnat)을 터널내 유도풍속으로 환산해 보면 터널별로 1.8～4.7 m/s로 나타나, 지형자료에 의한 자연환기력(Pmax)보다는 다소 낮은 분포를 나타내고 있다.
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(a) Comparison of NVPs | (b) Comparison of induced velocities in tunnel |
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(c) Comparison to the ratio of Pnat and Pmax | |
Fig. 11. Comparison of natural ventilation pressure by terrain and meteorological data | |
3.3.3지형자료와 기상자료에 의한 자연환기력 비교분석
다음으로 Fig. 11은 해당터널별 자연환기압과 터널내 유인풍속의 크기를 비교 분석하였다. 기압장벽고 개념에 기초한 자연환기력(Pmax)의 분석결과는 실제 기상자료로부터 분석한 자연환기력(Pnat) 보다 약 32% 정도 크게 예측되고 있다. 그러나 일부 터널의 경우는 기상자료에 의한 자연환기력이 Pmax 값을 초과하는 경우도 있는 것으로 분석된다. 상대적인 큰 오차를 보이는 장동1터널과 둔내터널의 경우를 살펴보면, 먼저 장동1터널의 경우는 기상자료에 의한 자연환기력이 27.6～34.9 Pa 정도이나, 지형적 조건(기압장벽고)이 낮게 형성되어 Pmax 값(21.6～31.2 Pa)의 예측이 낮게 나타난 것으로 보인다. 반면, 둔내터널의 경우는 기압장벽고에 의한 Pmax 값(79.1～94.6 Pa)로 높게 나타났으나, 인천방향의 국부적인 기압차가 108 Pa로 높게 나타나 Pmax 값을 초과한 것으로 보인다. 참고적으로 굴뚝효과는 계절적으로 작용하는 방향이 달라지나, 본 분석에서는 설계특성상 최악조건을 가정하여 터널방향에 관계없이 일괄적으로 불리한 방향으로 적용하였기 때문에 다소 높은 Pnat 값을 나타내고 있다.
총 44개의 튜브(tube) 수를 기준으로 할 경우, Pnat 값이 Pmax 값을 초과하는 경우가 4개소로 나타나 대략 9% 정도가 초과하는 것으로 나타났다. 그러나 상대오차 10% 이상인 곳은 장동1터널(광양방향) 및 둔내터널(인천방향) 2개소로 나타나 5% 이내의 오차를 고려할 경우, Pmax에 의한 자연환기력의 예측은 적정한 것으로 보인다.
3.3.4 터널연장별 자연환기력 분석
Fig. 12는 터널연장별로 자연환기력 분포를 나타내고 있다. 기상자료에 의한 자연환기력의 범위는 대체적으로 20～140 Pa 정도의 크기로 작용하는 것으로 분석된다. 자연환기력 중 외풍에 의한 영향을 살펴보면, 강릉5터널(서울방향) 및 대관령1터널(인천방향)의 경우가 각각 51.9 Pa, 32.0 Pa 정도 크게 작용하고 있으며, 대체적으로 20 Pa 이내의 크기를 보이고 있다. 외풍에 의한 영향은 터널 연장에는 관계가 없이 일정한 (풍)압력으로 작용하는 것으로 보이며, 국부적 지형조건에 영향을 많이 받는 것으로 보인다. 반면 터널내 풍속으로 환산해 보면 터널연장이 길어질수록 터널내 유인 풍속은 감소하는 특징을 보이고 있다. 외풍에 의한 터널내로 유도되는 터널내 풍속을 살펴보면, 터널연장 2,500 m 이내에서는 3.5 m/s 까지 작용하고 있으며, 2,500 m 이상에는 1.0 m/s 전후로 나타나고 있다. 반면 굴뚝효과에 의한 영향은 20 Pa 이내로 나타나며, 둔내터널(ELE=683 m)의 경우 최대 20 Pa 정도로 분석된다.
Fig. 13은 터널 갱구부 양단에 걸리는 기압차에 의한 영향을 나타내고 있다. 터널연장이 긴 터널일수록 기압차에 의한 영향이 큰 것으로 나타내고 있으며, 최장 터널인 죽령터널(Lr = 4.6 km)의 경우가 최대 117 Pa 정도로 나타나고 있다. 터널연장이 길수록 큰 영향을 나타내고 있으나, 이를 터널내 유도풍속으로 환산해 보면 연장증가에 따른 터널내 마찰저항이 커지기 때문에 전체적으로 터널연장별로 일정한 패턴을 나타내고 있다. 즉, 기압차에 의한 유도풍속의 범위는 1.0～4.0 m/s 정도로 분석되며 설계기준인 2.5 m/s를 상회하는 경우가 1/2정도에 이른다.
자연환기력은 기압차에 의해서 가장 크게 영향을 받는 것으로 분석되며, Fig. 10의 (a)에서와 같이, 전체 자연환기력의 크기를 고려해 볼 때, 설계시 자연환기력의 저항력의 크기는 최소 20 Pa 이상 적용하는 것이 바람직해 보인다. Fig. 14는 이상의 자료로부터 터널연장과 자연환기력의 상관관계를 나타내었다.
3.3.5 자연환기력에 따른 제연설비 용량 분석
Fig. 15는 화재시 자연풍의 작용방향에 따른 제연설비용량의 적정성을 알아보기 위해 자연풍 적용기준에 따른 제연팬 용량의 적정성을 비교분석해 보았다. 제연팬 산정시 역풍으로 작용하는 자연풍에 대하여, 먼저 현 설계기준(-2.5 m/s) 적용조건과 기상자료로부터 획득한 Pnat 값 및 지형조건 자료로부터 획득한 Pmax 값을 가지고 적용하는 방안에 대하여 비교분석을 수행하였다. 분석결과, 현 환기설계 기준인 자연풍 저항 -2.5 m/s를 적용한 22개 터널의 총 제연팬 대수 464대 대비 Pmax 에 의한 총 요구 제연팬 대수는 607대로 143대(1.31배) 정도의 증가하며, Pnat 에 의한 총 요구 제연팬 대수는 527대로 63대(1.14배) 의 증가가 필요한 것으로 분석된다.
현행 설계기준(2.5 m/s)은 터널연장이 증가하면 외부 지형 및 기상조건에 관계없이 자연풍 저항력이 커지게 되는 문제점이 있다. 그러나 자연환기력의 대부분이 기압차에 의한 영향이고 기압차 영향은 터널연장에 비례한다는 측면을 고려한다면, 현행 설계기준의 적용방안도 크게 문제는 되지 않을 수 있다. 하지만 실제 기상조건에 의한 영향을 고려할 수 없다는 측면과 과도하게 터널연장에 비례하여 저항력이 높아진다는 측면을 고려한다면 설계기준으로써 적용하기에는 다소 미흡한 측면이 있을 수 있다. 따라서 현행 설계기준에 따른 제연팬 대수는 Pnat 또는 Pmax에 의한 방법보다 대체적으로 적게 자연풍 저항을 예측하고 있어 실제 대수의 부족현상이 발생할 소지가 있으므로 이에 대한 보완연구가 필요한 것으로 분석된다.
4. 결 론
현행 환기설계시 적용하고 있는 자연 저항풍속의 풍속기준(-2.5 m/s)은 실제 측정결과와 상당한 차이를 보이고 있어 해당 터널내 작용하는 자연환기력을 합리적으로 적용하기 위해서는 지형 및 기후조건에 대한 고려가 반드시 필요한 것으로 보인다. 이상의 자연환기력 분석에 대한 연구내용을 정리하면 다음과 같다.
1.22개 대상터널을 분석한 결과, 기상자료에 기초한 자연환기력(Pnat)의 범위는 20～140 Pa, 지형자료에 기초한 자연환기력(Pmax)의 범위는 20～200 Pa 정도로 추정된다.
2.자연환기력 영향 인자중 터널 양단 입출구의 기압차에 영향(61%), 외풍영향(22%), 굴뚝효과 영향(17%) 순으로 크게 작용하는 것으로 분석되어 기 보고된 자료들과 잘 일치하는 경향을 보였다.
3.환기시 자연환기력의 적용 방법론으로 현 설계기준인 역풍조건 -2.5 m/s 를 일괄 적용하기 보다는 풍압의 크기로 적용하는 것이 바람직해 보이며, 국내 터널의 경우, 최소 20 Pa 이상의 자연저항 풍압(개념)을 반영할 필요가 있는 것으로 사료된다.
4.화재시 자연환기력의 적용 방법론으로 현 설계기준을 적용한 제연팬 대수대비 Pmax 에 의한 총 제연팬 대수는 143대(1.31배) 정도로 증가하며, Pnat 에 의한 제연팬 대수는 63대(1.14배)의 증가가 필요한 것으로 분석되었다. 따라서 화재시 자연풍의 크기 및 작용방향에 따라, 현 제연설비의 용량이 부족할 경우가 발생할 수 있으므로 이에 대한 개선대책이 필요한 것으로 판단된다.
